m87*黑洞，m86黑洞
制作：科普中国
制作人：姜武、沈志强、卢如深（中国科学院上海天文台）
出品单位：中国科学院计算机网络信息中心
你还记得2019年事件视界望远镜（EHT）发布的第一张黑洞照片吗？这是一张黑洞照片（EHTC，2019）。
EHT于2019年发布的第一张黑洞照片（图片版权：EHT Collaboration）
在对过去两年的偏振数据进行进一步处理和分析后，EHT于2021年3月发布了另一张偏振光下的黑洞图像（EHTC，2021）。这张偏振图像提供了有关黑洞外缘磁场结构的信息，是理解黑洞如何“吞噬”物质并发射强大喷流的关键。（卢如深等，2021） ）。
M87 超大质量黑洞在偏振光下拍摄的图像。 （图片来源：EHT 合作伙伴）
事实上，当科学家在2017 年观测M87 时，他们做了一些了不起的事情。来自全球32 个国家和地区近200 个科研机构的760 名研究人员组成的团队正在协调地面和太空的19 个最先进的望远镜（阵列），在整个电磁频谱上观测M87 的辐射。黑洞带联合测量。
这是迄今为止对超大质量黑洞及其喷流覆盖范围最广的同步观测。它有助于我们更好地理解黑洞和喷流之间的深层关系。相关数据发布于2021年4月14日。《天体物理学杂志通讯》 及更高版本。
我们可以从黑洞的多波段联合测量中学到什么？黑洞及其喷流是宇宙中最神秘、最壮观的物体之一。超大质量黑洞的巨大引力不仅会吸引周围的物质并使其绕其高速旋转形成吸积盘，还会以喷流的形式向外喷射一些粒子，将它们带到很长的距离。它会飞起来。速度接近光速。
我们知道，加速的电子和质子会产生辐射，这也是可以从地面接收到的有关黑洞及其喷流的信号的来源。
每个黑洞在不同的电磁波段都有不同的辐射特性，类似于人类的指纹。收集这些辐射“指纹”可以深入了解黑洞的特性，但挑战在于这些不同的辐射带往往会随着时间的推移而发生变化。 M87 喷射的辐射涵盖了从无线电波到伽马射线的整个电磁频谱。
典型黑洞及其喷流的辐射模型。不同颜色代表不同波段产生辐射的区域（Marscher et al. 2008）
2017年，在对M87进行EHT观测时（Jiang Wu et al. 2019），科学家们有一种预感，他们现在可能能够以前所未有的超高分辨率对黑洞进行成像。与成员和外部合作伙伴合作，协调使用最先进的地面和太空望远镜进行同步观测，以收集整个电磁频谱的辐射，并最大限度地减少时变效应的影响。
参与EHT多波段工作组联合观测的望远镜（阵）构建的辐射模型
射电望远镜阵列：视界望远镜（EHT）、欧洲VLBI网络（EVN）、高灵敏度阵列（HSA）、东亚VLBI网络（EAVN）、甚长基线阵列（VLBA）、全球毫米波VLBI阵列（GMVA）。红外望远镜阵列：甚大望远镜干涉仪（VLTI/GRAVITY）；紫外望远镜：尼尔·加勒斯·斯威夫特天文台（SWIFT）；光学望远镜：斯威夫特-哈勃太空望远镜（HST）；X射线望远镜：钱德勒稀有X射线天文台（（钱德拉））、核光谱望远镜阵列（NuSTAR）、快速高通量X 射线光谱任务和X 射线多镜任务（XMM-牛顿）、伽马射线望远镜（阵列）：费米大面积太空望远镜（费米- LAT))、高能立体望远镜系统(H.E.S.S.)、大气伽马射线切伦科夫望远镜(MAGIC)、甚高能辐射成像望远镜阵列系统(VERITAS)
此次联合测量的观测频率跨越17个数量级，从低频射电到可见光、X射线、高能伽马射线，对M87黑洞的解释范围从超高分辨率EHT到超高分辨率-高分辨率。 - 物理尺度上能源成本高米特太空望远镜跨越八个数量级，是迄今为止最全面的多波段同步观测成果，极具价值和很高的科学价值。
M87的EHT多波段联合观测结果（EHT合作机构多波段工作组）
这种解释还有两大优点。首先，直接EHT成像结果表明，黑洞周围的辐射来自相对论电子的同步辐射。当科学家假设其他能带的能谱也来自同一区域时，他们发现能谱，特别是高能伽马射线带，不够强，本质上意味着伽马射线辐射来自于已经确认没有。我们正在从靠近黑洞事件视界的地方观察。
另一个发现是，在2017年EHT观测期间，M87核区的活动处于有观测记录以来最平静的阶段，结合2018年和2021年正在进行的多波段联合观测。这意味着能量可以结合起来。我们解决不同波段的光谱变化和发射区域，并考虑每个波段的发射源。
虽然我们现在已经见证了黑洞的真实面貌（卢如深等，2019），并成功地在整个波长范围内几乎同时覆盖了它的电磁辐射，但仍然存在一些缺陷需要进一步研究。还是有很多确定性的。例如，哪些过程会产生我们可以检测到的电磁辐射？
此次公布的研究成果对于理解“宇宙射线”的起源也将有所帮助。宇宙射线是不断降落在地球上的高能粒子，其能量比地球上最强大的人造加速器大型强子对撞机产生的能量大一百万倍。
研究表明，至少在2017年，观测到的伽马射线并不是在黑洞事件视界附近产生的。最活跃的宇宙射线很可能源自巨型黑洞喷流，但有关细节的许多问题仍然存在，包括此类宇宙射线源的确切位置，这种宇宙射线被认为是能量最高的伽马射线。
你是否将四个伽马射线接收望远镜放置在模型中的红外和毫米波辐射之间，就像你用望远镜构建辐射模型时所做的那样，还是将它们放置在黑洞附近？我仍然很困惑。
幸运的是，通过将2018 年的观察结果与2021 年正在进行的观察结果进行比较，这一争论有望得到解决。
正在加载视频.
该视频从M87 黑洞的标志性照片开始，带领观众穿过黑洞及其从每台望远镜看到的喷流。每帧显示跨越观测波长和物理尺度数十倍的数据。从2019年4月发布的EHT捕获的M87黑洞图像开始（数据收集于2017年4月），从世界各地的各种射电望远镜阵列获得的高分辨率图像按照视场从大到小依次投影。（方框中显示的是右下角的光年刻度），屏幕切换到可见光（哈勃和斯威夫特）、紫外（斯威夫特）和X射线（钱德拉和NuSTAR）太空望远镜，以及射电、可见光/为了便于比较，紫外线和X 射线图像全部显示在天空的同一区域，最后是地面伽马射线望远镜和费米太空望远镜探测到的黑洞及其喷流的图像。 （视频来源：EHT 协作多频段工作组）
这座建筑是由一整块木头建成的，剥去神秘天体黑洞的茧，在前所未有的维度上进行详细研究，是一项汇聚世界力量的浩大工程。我很幸运能成为其中的一部分。给作者印象最深的是“罗马不是一天建成的，同时，建筑物也不是用一块木头建造的。”这次探险汇集了19架望远镜（阵），每架望远镜（阵）的早期阶段都凝聚了无数人的心血和聪明才智。
以发挥重要作用的天马射电望远镜为例，这座射电望远镜距离上海市中心30多公里，因邻近的天马山而得名。
早在20世纪90年代，上海天文台的老一代天文学家就提出了建造大口径射电望远镜的计划。该项目于2008年10月底开工，2012年10月28日竣工（沈志强，2013）。上海市理学博士。这对于我国此前的嫦娥探月工程和正在进行的“天问一号”火星探测任务发挥了重要作用（刘庆辉等，2017）。
上海天马射电望远镜
难能可贵的是，天马不仅专注于深空探测任务，还利用一切可以利用的时间进行天文观测和研究。例如，在本次M87黑洞EHT多波段联合观测中，天马参与了两个望远镜阵列，并在三个波段的甚长基线干涉（VLBI）观测中发挥了关键作用。
2014年春天，也就是项目建成后的第二年，天马参与了与欧洲VLBI网络（EVN）的国际联合实验，亚洲、欧洲、美洲、非洲的射电望远镜也参与其中。
2017年5月9日，天马等EVN内9个台站参与了170mm波段M87的EHT联合观测，作为最低频率观测数据。从观测点分布图来看，天马是参与EVN的联合测量站中最东端的，并且在基线处安装了分辨率最高的名为天马的大直径天线，这对于绘制东部地图很有用。这很有帮助。 -M87 的西侧喷气机。
另外，您可能已经注意到，天马和阿雷西博射电望远镜（FAST之前的世界最大射电望远镜）在这次观测中同时出现。
事实上，他们位于世界的两端，无法同时看到所需的声源M87，但通过连接欧洲大陆上的中心观察点，他们的贡献将体现在最终的地图中。是。这可能是VLBI技术的一个优势。这是魔法。
2017年5月9日EVN对M87的EHT联合观测（左上：EVN观测点分布，左下：EVN观测点对M87的空间采样，红色轨迹为与天马相关的基线，右下：天马和阿雷西博外围）右上相位：M87 与170mm EVN 的VLBI 映射。 ）
众所周知，观测频率越高（波长越短），对望远镜的性能要求就越高。在天马加入之前，东亚韩国和日本的毫米波VLBI站的孔径大多为20米。作为东亚最大的毫米波波段射电望远镜，天马的有效接收面积比东亚其他毫米波VLBI观测站的总和还要宽，在东亚VLBI中发挥着重要作用。网络（EAVN）。
天马高频毫米波观测系统调试期间，得到了新疆天文台南山射电望远镜等国内同行单位的支持。
作为第一台能够在7mm工作波长进行VLBI观测的国产射电望远镜，韩国和日本的毫米波VLBI阵列也合作调试了这个频段，我们能够实现13mm和两个毫米波波长Ta。 2017年EHT联合观测前夕成功调试7毫米波段VLBI系统。
2017年3月18日至5月26日16次EHT联合观测（M87单独观测8次，M87与银心黑洞同时观测6次，银心黑洞单独观测2次，各7次）（约10小时）由于这是我第一次参加国际毫米波联合实验，为了确认是否得到了初步结果，我们将一些原始观测数据通过高速网络发送出去，我们还更换了.观测正常，最终所有联合测试均按期顺利完成，让EAVN的联合观测如虎添翼。
2017年3月18日至5月26日EAVN对M87的EHT联合观测（左上：EAVN台站分布，左下：不同EAVN台站之间的干扰条纹，其中天马相关基线的条纹相位色散最小）有最高灵敏度。右上：EAVN 将M87 的VLBI 映射到13 毫米带上。右下：EAVN 在7 毫米波段映射M87 的VLBI）。
至今记忆犹新的是，在我们决定参加EHT联合观测的前两周，发现在13mm和7mm波段的测试观测中无法获得干涉条纹，天马有可能是观察将被取消。这就是发生的事情。
幸运的是，天马团队竭尽全力，用国外望远镜反复测试，经过10多天的排查，终于发现问题是由于接线中的连接器松动造成的。最终，我们参与了为期两个月的M87黑洞联合VLBI监测，并顺利完成，没有风险。
目前，此次增加与2021年EHT观测和多波段同时观测重叠，天马已经很熟悉，所以即使是第一次参加也不必惊慌。
“天文学家深知宇宙的浩瀚和自身的渺小。探索未知需要团队的努力。我们VLBI领域的性质需要广泛的协作。天马单元固有的系统复杂性需要各个环节的专家研究人员竭尽全力。”以达到最佳性能。天马在国家任务和天文科学观测中积累了经验，相信未来能够继续发展、发光发热。
作者要感谢日本国家天文台的Kazuhiro Hada 和Okju Choi 提供M87 的欧洲VLBI 网络和东亚VLBI 网络图像。
参考：
Marscher, A.Francesca, J.D'Arcangelo, D. 等人，2008。辐射伽马射线爆炸揭示的活动星系核内部喷流。自然，452, 966（Marscher 等人， 2008）
与事件视界望远镜等合作2019. 第一个M87 事件视界望远镜结果I. 超大质量黑洞的阴影. ApJL, 875, L1（与事件视界望远镜等合作2019）
事件视界望远镜合作及其他2021 年。首个M87 事件视界望远镜结果VII: 环偏振。ApJL、910、L12（事件视界望远镜合作及其他2021 年）
Algaba, J.Anczarski, J.Asada, K. et al. 2021。2017 年事件视界望远镜活动期间M87 的宽带多波长特性。ApJL, 911, L11（Algaba 等人，2021）
http://65m.shao.cas.cn/
沈志强，2013。上海65米射电望远镜。 《科学》第65卷第3、15期（沈志强，2013）
刘庆辉，常胜奇，黄勇等，2017。火星探测器跟踪和VLBI定轨分析。科学中国： 物理力学天文学， 47, 9 (刘庆辉等， 2017)
姜武，吕翔，高峰，2019。第一个黑洞照片参与者解释了如何拍摄黑洞照片。 （回归简单）
陆鲁生，赵文文，2019。世界首张黑洞照片发布中国科学家做出了哪些贡献？ （西老师）
陆鲁生，吴江，沉志强，2021。黑洞偏光图出炉！ M87黑洞有了新头像（科普中国）
